Cursos do Blog - Termologia, Óptica e Ondas

12ª aula 
Propagação do calor (II)

Borges e Nicolau

Fluxo de calor

A propagação do calor pode ocorrer por três processos diferentes: condução, convecção e irradiação. Para os três modos de propagação definimos a grandeza denominada fluxo de calor:

Em que Q é a quantidade de calor transmitida e Δt o intervalo de tempo correspondente.

Unidades de fluxo de calor: cal/s, cal/min, W (watt)

Condução térmica

Transmissão em que a energia térmica se propaga por meio da agitação molecular.

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Lei de Fourier:

Em que K é o coeficiente de condutibilidade térmica do material.

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Os bons condutores, como os metais, têm valor elevado para a constante K; já os isolantes térmicos (madeira, isopor, lã, etc.) têm valor baixo para a constante K.

Convecção térmica

Transmissão de energia térmica, que ocorre nos fluidos, devido à movimentação do próprio material aquecido, cuja densidade varia com a temperatura.

Correntes de convecção

Ascendente, formada por fluido quente.

Descendente, formada por fluido frio.

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Irradiação

Transmissão de energia por meio de ondas eletromagnéticas (ondas de rádio, luz visível, ultravioleta etc.). Quando estas ondas são raios infravermelhos, falamos em irradiação térmica.

Quando a energia radiante (energia que se propaga por meio de ondas eletromagnética) atinge a superfície de um corpo ela é parcialmente absorvida, parcialmente refletida e parcialmente transmitida através do corpo. A parcela absorvida aumenta a energia de agitação das moléculas constituintes do corpo (energia térmica). As radiações infravermelhas são as mais facilmente absorvidas, isto é, são as que mais facilmente se transformam em energia térmica.

Efeito estufa

Substâncias presentes na atmosfera terrestre (CO₂, vapor de água, metano, etc.) limitam a transferência de calor da Terra para o espaço, durante a noite, mantendo assim um ambiente adequado para a vida. A intensificação desse efeito, devido à ação humana, está provocando o aquecimento global, com graves consequências para o planeta.

Garrafa térmica

Dispositivo no qual são minimizados os três processos de transmissão de calor. O vácuo entre as paredes duplas evita a condução. A boa vedação da garrafa evita a convecção. O espelhamento interno e externo das paredes reduz ao mínimo a irradiação.

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Animação:

Propagação do calor
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Exercício básicos

Exercício 1:

Dos três processos de propagação de calor, qual deles ocorre no vácuo?

Resolução:

Irradiação, pois a transmissão de energia ocorre por meio de ondas eletromagnéticas.

Resposta: Irradiação
 

Exercício 2:

Considere as afirmações:

I) A propagação de calor por convecção ocorre nos fluidos em geral.

II) A propagação de calor por condução não ocorre no vácuo.

III) Uma malha de lã tem como função fornecer calor ao corpo de uma pessoa.

IV) O ar atmosférico e o gelo são bons condutores de calor.

Tem-se:

a) Só as afirmações I) e II) são corretas;

b) Só as afirmações III) e IV) são corretas;

c) Só as afirmações I) e III) são corretas;

d) Só as afirmações I), II) e III) são corretas;

e) Todas as afirmações são corretas.

Resolução:

I) Correta. A propagação de calor por convecção ocorre nos líquidos e gases, isto é, nos fluidos.
II) Correta. A condução exige um meio material para se propagar.
III) Incorreta. A malha é um isolante térmico. Ela reduz a perda de calor do corpo para o meio ambiente.
IV) Incorreta. Eles são isolantes térmicos

Resposta: a

   

Exercício 3:

Por que, embora estejam à mesma temperatura, ao tocarmos numa maçaneta metálica e numa porta de madeira, temos a sensação de que a maçaneta está mais fria?

Resolução:

O coeficiente de condutibilidade térmica do metal é maior do que o da madeira. Nestas condições, a maçaneta de metal retira mais rapidamente calor da mão, dando a impressão de estar mais fria. 

Exercício 4:

Nas geladeiras domésticas:

I) o congelador está colocado na parte superior;

II) o ar frio desce, por convecção, resfriando os alimentos;

III) as prateleiras não são inteiriças mas têm a forma de grade, de modo a permitir a convecção do ar no interior da geladeira;

IV) deve-se, nos modelos mais antigos, retirar periodicamente o gelo que se forma sobre o congelador para não prejudicar a troca de calor.

Tem-se:

a) Só as afirmações I) e II) são corretas;

b) Só as afirmações III) e IV) são corretas;

c) Só as afirmações I) e III) são corretas;

d) Só as afirmações I), II) e III) são corretas;

e) Todas as afirmações são corretas.

Resolução:

I) Correta. O ar da parte superior em contato com o congelador fica mais frio e desce, dando lugar ao ar quente que sobe.
II) Correta. Pelo processo descrito no item I) os alimentos são resfriados por convecção
III) Correta. A finalidade é permitir a convecção do ar no interior da geladeira.
IV) Correta. O gelo é um isolante térmico

Resposta: e

 

Exercício 5:

Uma extremidade de uma barra de alumínio está em contato com vapor de água em ebulição sob pressão normal (100 ºC). A outra extremidade está em contato com gelo em fusão sob pressão normal (0 ºC).

A barra tem comprimento de 100 cm e a área da seção reta

é de 5,0 cm².

A barra está envolvida por um isolante de modo que é desprezível o calor perdido pela superfície lateral. Sendo K = 0,50 cal/s.cm.ºC o coeficiente de condutibilidade do alumínio, determine:

a) o fluxo de calor que atravessa a barra;

b) a quantidade de calor que atravessa uma seção da barra em 6,0 minutos;
c) a temperatura numa seção da barra situada a 8,0 cm da extremidade mais fria.

Resolução:

a) φ = K.A.Δθ/e => φ = 0,50.5,0.(100-0)/100 => φ = 2,5 cal/s
b) φ = Q/Δt => 2,5 = Q/360 => Q = 9,0.10² cal
c)

φ1 = φ2 => K.A.(100-θ)/92 = K.A.(θ-0)/8 => θ = 8,0 ºC

Respostas:

a) 2,5 cal/s
b) 9,0.10² cal 
c) 8,0 ºC 
 

Exercícios de revisão

Revisão/Ex 1:
(UFSCAR-SP)
Um grupo de amigos compra barras de gelo para um churrasco, num dia de calor. Como as barras chegam com algumas horas de antecedência, alguém sugere que sejam envolvidas num grosso cobertor para evitar que derretam demais. Essa sugestão:

a) é absurda, porque o cobertor vai aquecer o gelo, derretendo-o ainda mais depressa.
b) é absurda, porque o cobertor facilita a troca de calor entre o ambiente e o gelo,  fazendo com que ele derreta ainda mais depressa.
c) é inócua, pois o cobertor não fornece nem absorve calor ao gelo, não alterando a rapidez com que o gelo derrete.
d) faz sentido, porque o cobertor facilita a troca de calor entre o ambiente e o gelo, retardando o seu derretimento.
e) faz sentido, porque o cobertor dificulta a troca de calor entre o ambiente e o gelo, retardando o seu derretimento.

Resolução:

A sugestão apresentada na alternativa e) faz sentido porque o cobertor é um isolante térmico.

Resposta: e

Revisão/Ex 2:
(Olimpíada Brasileira de Física)
Um estudante caminha descalço em um dia em que a temperatura ambiente é de 28 ºC. Em um certo ponto, o piso de cerâmica muda para um assoalho de madeira, estando ambos em equilíbrio térmico. O estudante tem então a sensação de que a cerâmica estava mais fria que a madeira. Refletindo um pouco, ele conclui corretamente, que:

a) a sensação de que as temperaturas são diferentes de fato representa a realidade física, uma vez que a cerâmica tem uma capacidade calorífica menor que a madeira.
b) a sensação de que as temperaturas são diferentes não representa a realidade física, uma vez que a cerâmica tem uma capacidade calorífica menor que a madeira.
c) a sensação de que as temperaturas são diferentes de fato representa a realidade física, uma vez que a condutividade térmica da cerâmica é maior que a da madeira.
d) a sensação de que as temperaturas são diferentes não representa a realidade física, uma vez que a condutividade térmica da cerâmica é maior que a da madeira. 

Resolução:

A sensação do estudante de temperaturas diferentes não é uma realidade física. É causada pelo fato de a condutividade térmica da cerâmica ser maior do que a da madeira.

Resposta: d

Revisão/Ex 3:
(PUC-PR)
Analise as afirmações referentes à transferência de calor:

I. As roupas de lã dificultam a perda de calor do corpo humano para o meio ambiente devido ao fato do ar existente em suas fibras ser um bom isolante térmico
II. Devido a condução térmica, uma barra de ferro mantêm-se a uma temperatura inferior a um pedaço de madeira mantida no mesmo ambiente.
III. O vácuo entre duas paredes de um recipiente serve para evitar a perda de calor por irradiação.

Marque a alternativa correta:

a) Apenas a I esta correta
b) Apenas as II esta correta
c) Apenas a III esta correta
d) I,I e III estão corretas
e) I,II e III estão erradas

Resolução:

I. Correta. O ar entre as fibras é um isolante térmico.
II. Incorreta. Num mesmo ambiente, uma barra de ferro e um pedaço de madeira mantêm-se à mesma temperatura.
III. Incorreta. A irradiação ocorre no vácuo.

Resposta: a 

Revisão/Ex 4:
(UFSCAR-SP)
Um dia, o zelador de um clube mediu a temperatura da água da piscina e obteve 20 ºC, o mesmo valor para qualquer ponto da água da piscina. Depois de alguns dias de muito calor, o zelador refez essa medida e obteve 25 ºC, também para qualquer ponto do interior da água. Sabendo-se que a piscina contém 200 m³ de água, que a densidade da água é 1,0.10³ kg/m³ e que o calor específico da água é 4,2.10³xJ/kg.ºC, responda:

a) qual a quantidade de calor absorvida, do ambiente, pela água da piscina?
b) por qual processo (ou processos) o calor foi transferido do ambiente para a água da piscina e da água da superfície para a água do fundo? Explique.

Resolução:

a) Q = m.c.Δθ => Q = d.V.c.Δθ => Q = 1,0.10³.200.4,2.10³.5,0 => 
Q = 4,2.10⁹ J
b) A água recebe calor do ambiente principalmente por irradiação. O calor se transfere ao fundo principalmente por convecção

Revisão/Ex 5:
(ENEM)
A refrigeração e o congelamento de alimentos são responsáveis por uma parte significativa do consumo de energia elétrica numa residência típica. Para diminuir as perdas térmicas de uma geladeira, podem ser tomados alguns cuidados operacionais:

I. Distribuir os alimentos nas prateleiras deixando espaços vazios entre eles, para que ocorra a circulação do ar frio para baixo e do quente para cima.
II. Manter as paredes do congelador com camada bem espessa de gelo, para que o aumento da massa de gelo aumente a troca de calor no congelador.
III. Limpar o radiador (“grade” na parte de trás) periodicamente, para que a gordura e a poeira que nele se depositam não reduzam a transferência de calor para o ambiente.

Para uma geladeira tradicional é correto indicar, apenas,

a) a operação I.
b) a operação II.
c) as operações I e II.
d) as operações I e III.
e) as operações II e III.

Resolução:

I) Correta
O resfriamento dos alimentos ocorre principalmente devido à convecção do ar no interior da geladeira. O ar quente sobe até o congelador e o ar frio desce até os alimentos. Distribuir os alimentos nas prateleiras deixando espaços vazios facilita a convecção.

II) Incorreta
O gelo é um isolante térmico, por isso,  manter  as paredes do congelador com camada bem espessa de gelo, dificulta  a troca de calor do congelador com o ar aquecido pelos alimentos.

III) Correta
Deve-se limpar o radiador (“grade” na parte de trás) periodicamente, porque a gordura e a poeira que nele se depositam formam uma película que reduz a transferência de calor para o ambiente.

Resposta: d